【RA-Eco-RA4M2开发板评测】RA-Eco-RA4M2 使用 MLX90614测温

1 理论介绍

1.1 引言

一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式，接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度，所以响应时间长，且极易受环境温度的影响；而红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，具有影响动被测物体温度分布场，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、不受测温上限的限制、稳定性好等特点，近年来在家庭自动化、汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用。

本文以MLX90614DDA为例介绍其原理和应用。

MLX90614 系列模块是一组通用的红外测温模块。在出厂前该模块已进行校验及线性化，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。被测目标温度和环境温度能通过单通道输出，并有两种输出接口，适合于汽车空调、室内暖气、家用电器、手持设备以及医疗设备应用等。

1.2 测温原理

物体红外辐射能量的大小和波长的分布与其表面温度关系密切。因此，通过对物体自身红外辐射的测量，能准确地确定其表面温度，红外测温就是利用这一原理测量温度的。红外测温器由光学系统、光电探测器、信号放大器和信号处理及输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

PWM 的全称是 Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）即通过调节脉冲的周期、宽度，以达到变压、变频的目的，数字式脉宽调制方式中，数字是控制信号，通过改变高低电平数的比值达到改变占空比的目的， PWM 控制电路在开关稳压电源、不间断电源（ UPS）以及直流电机调速，交流电机变频调速等控制电路中有着广泛应用。

SMBus （ System Management Bus，）是 1995 年由 intel 公司提出的一种高效同步串行总线，SMBus 只有两根信号线:双向数据线和时钟信号线，容许 CPU 与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息，即可以提高传输速度也可以减小器件的资源占用，另外即使在没有SMBus 接口的单片机上也可利用软件进行模拟。

Melexis 公司生产的 MLX90614 系列测温模块是应用非常方便的红外测温装置，其所有的模块都在出厂前进行了校验，并且可以直接输出线性或准线性信号，具有很好的互换性，免去了复杂的校正过程。

该模块以 81101 热电元件作为红外感应部分。输出是被测物体温度（ TO）与传感器自身温度（ Ta）共同作用的结果，理想情况下热电元件的输出电压为：

Vir = A(To4 – Ta4)

其中温度单位均为 Kelvin， A 为元件的灵敏度常数。

目标温度和环境温度由 81101 内置的热电偶测定测量，从 81101 中输出的两路温度信号分别经内部 MLX90302 器件上高性能、低噪声的斩波稳态放大器放大再经一个 17-bit 的模数转换器（ ADC）和强大的数字信号处理(DSP)单元后输出。

该系列模块的温度解析度可达 0.01°C，体积小巧，被测目标和环境温度能通过单通道（由 MLX90302 内的状态机控制）输出，有两种输出方式： PWM 输出、可编程 SMBus 输出，适于多种应用环境，下面以 MLX90614 为例，重点介绍其特性和使用方法。

通过 SMBus 编程可以更改模块 EEPROM 内的预设值并按照应用要求进行配置，并可以读出 EEPROM 内的配置信息；还可以读出模块 RAM 内温度等数据。

MLX90614 有适用于 3 伏和 5 伏电源操作的两种类型。由于 3 伏型其小于 2 毫安的电流消耗，它非常适用于手提装置和电池动力装置。为此，传感器也具有一个节能“休眠”模式，此时电流消耗可低于 2 毫安。对于 12 伏汽车电池直接供电的情况， 5 伏型包含的电子部件可与几个外部元件一起在较高电压下运行。

1.3 MLX90614 协议

1.3.1 MLX90614 的 SMBus 协议

MLX90614 的 SMBus 协议如下：

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Figure SMBus 的数据包组成

1.3.2 读器件

读器件命令决定是读 RAM 或 EEPROM）数据格式。

1746872238801vv9vb4a3wt

Figure 读器件命令

1.3.3 写器件

写器件命令决定是写 RAM 或 EEPROM）数据格式。

1746872238948v7njw29ew3

Figure 写器件命令

1.3.4 数据传输时序

数据传输时序如下：

1746872239072gdqz6dmuw3

Figure 数据传输时序

PWM/SDA 上的数据在 SCL 变为低电平 300n 后即可改变，数据在 SCL 的上升沿被捕获。 16 位数据分两次传输，每次传一个字节。每个字节都是按照高位(MSB)在前，低位(LSB)在后的格式传输，两个字节中间的第九个时钟是应答时钟。

1.4 MCU接口电路

MLX90614AAA 与单片机连接的硬件电路如下图所示。 SCL、 PWM/SDA 管脚直接连接MCU 的普通 I/O 口即可，由于 MLX90614AAA 的输入输出接口是漏级开路（ OD）结构，需要加上拉电阻。多个 MLX90614 可以用于一个系统中，每个 MLX90614 对应一个不同地址，通过地址的不同而访问不同的 MLX90614，最多可以达到 127 个。

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Figure MLX90614DDA 与MCU连接电路

1.5 软件流程图

多个 MLX90614 可以用于一个系统中，通过地址不同区分器件，器件默认的地址为 5AH，因此在多 MLX90614 系统中，需要给每个 MLX90614 分配一个不同的地址，在只有一个MLX90614 的系统中， MLX90614 识别地址 00h，即在单个 MLX90614 系统中，可以使用该地址访问它。

$C:\Users\BruceOu\Desktop\11.png$

Figure 读写数据流程

发送和接收数据是以字节为单位进行的，程序流程如下图所示。每次发送一个字节（按位发送，发送 8 个位就是一个字节），然后就判断对方是否有应答，如果有应答，就接着发送下一个字节；如果没有应答，多次重发该字节，直到有应答，就接着发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有应答，就结束。接收数据时，每次接收一个字节（按位接收，接收 8 个位就是一个字节），然后向对方发送一个应答信号，然后就可以继续接收下一个字节。

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Figure 发送和接收字节流程图

从MLX90614 种读出的数据是 16 位的，由高 8 位（ DataH）和低 8 位（ DataL）两部分组成，其中RAM地址 07H单元存储的是TOBJ1数据，数据范围从 0x27AD到 0x7FFF,表示的温度范围是-70.01℃到+382.19℃。

从 MLX90614 中读出的数据(DataH:DataL)换算为温度数据(T,单位为℃ )如下所示:

T= (DataH:DataL)*0.02-273.15

例如： DataH:DataL=0x27AD，代入式中 T=-70.01℃

2 实验详解

2.1 实验目的

1) 通过实验掌握RA-Eco-RA4M2芯片I2C 的配置方法

2) 掌握温度传感器MLX90614的原理与使用

2.2 实验设备

硬件：PC 机一台；RA-Eco-RA4M2开发板一套；MLX90614一个

软件：Windows 10系统，Keil5集成开发环境、串口助手

2.3 硬件连接

MLX90614接口电路如下：

Figure MLX90614接口电路

MLX90614接到RA4M2的IIC0，SCL和SDA分别接的是P400和P401引脚。

Figure RA4M2的IIC0接口

2.4 MLX90614数据读取

2.4.1 RA Smart Configurator配置I2C

打开RA Smart Configurator，根据硬件连接，I2C使用的是IIC0，因此在配置界面里面依次打开“Pins->Peripherals->Connectivity:IIC>IIC0”配置IIC模块，选择开发板所用的IIC引脚，这里SCL和SDA分别接的是P400和P401引脚。

Figure I2C引脚设置

接下来就是添加I2C的stack。

Figure 添加I2C的stack步骤

接下来需要配置I2C的参数。

Figure I2C参数设置

这里可以设置I2C的参数，我这里设置I2C的变量名、通道以及从机地址，I2C的编号和Channel编号是一一对应的，因此需要设置为3，回调函数依据C语言命名规范任意编译一个就行。

值得注意的是，这里的从机地址是7位，代码中自动左移了。

然后让软件自动生成配置代码即可。

2.4.2 MLX90614采集温度代码实现

R_IIC_MASTER_Open()函数为执行IIC初始化，开启配置如下所示。

/* Initialize the IIC module */
err =R_IIC_MASTER_Open(&g_i2c_master0_ctrl, &g_i2c_master0_cfg); 
assert(FSP_SUCCESS == err);

R_IIC_MASTER_Write()函数是向IIC设备中写入数据，写入格式如下所示。

err = R_IIC_MASTER_Write(&g_i2c_device_ctrl_1, &g_i2c_tx_buffer[0], I2C_BUFFER_SIZE_BYTES, false);
assert(FSP_SUCCESS == err);

R_IIC_MASTER_Read()函数是向IIC设备中读数据，读数据的格式如下所示。

err = R_IIC_MASTER_Read(&g_i2c_device_ctrl_1, &g_i2c_rx_buffer[0], I2C_BUFFER_SIZE_BYTES, false);
assert(FSP_SUCCESS == err);

在前文已经介绍了MLX90614的时序，接下来通过RA4M2来读取温度值。

/**
  * [url=home.php?mod=space&uid=2666770]@Brief[/url]   MLX90614 Init
  * [url=home.php?mod=space&uid=3142012]@param[/url]   p_api_ctrl, p_cfg
  * @retval  None
  */
void BSP_MLX90614_Init(i2c_master_ctrl_t * const p_api_ctrl, i2c_master_cfg_t const * const p_cfg)
{
    fsp_err_t err;
    err = R_IIC_MASTER_Open(p_api_ctrl, p_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
}

/**
  * @brief  Mlx90614读寄存器
  * @param  p_api_ctrl, regAddr, pReadData
  * @retval 返回值 0 表示正确， 返回1表示未探测到
  */
int8_t BSP_MLX90614_ReadReg(i2c_master_ctrl_t * const p_api_ctrl, uint8_t regAddr, uint16_t *pReadData)
{
    uint8_t writeBuf[1] = {0};
    uint8_t readBuf[3] = {0};
    uint8_t ValBuf[6] = {0};
    uint8_t prcRegVal = 0;

    
    ValBuf[0] = MLX90614_ADDR << 1;
    ValBuf[1] = (uint8_t)(regAddr);
    ValBuf[2] = (MLX90614_ADDR << 1) | 0x01;

    fsp_err_t err;

    writeBuf[0] = (uint8_t)(regAddr);

    err = R_IIC_MASTER_Write(p_api_ctrl, writeBuf, 1, true);
    R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    err = R_IIC_MASTER_Read(p_api_ctrl, readBuf, 3 , false);

    R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);

    err = R_IIC_MASTER_Write(p_api_ctrl, writeBuf, 1, true);
    R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    err = R_IIC_MASTER_Read(p_api_ctrl, readBuf, 3 , false);
    if (err != FSP_SUCCESS)
    {
        return -1;
    }
    else
    {
        ValBuf[3] = readBuf[0];
        ValBuf[4] = readBuf[1];
        ValBuf[5] = readBuf[2];
        prcRegVal = CRC8_Calc(ValBuf, 5);
        if(prcRegVal == ValBuf[5])
        {
            *pReadData = (uint16_t)((readBuf[1] << 8) + readBuf[0]);
        }
    }
    return 0; /* 执行成功 */
}

/**
  * @brief  Mlx90614读取温度值
  * @param  p_api_ctrl
  * @retval 温度值
  */
float BSP_MLX90614_ReadTemp(i2c_master_ctrl_t * const p_api_ctrl)
{
    float temp;
    uint16_t data;

    if( 0 == BSP_MLX90614_ReadReg(p_api_ctrl, MLX90614_TOBJ1, &data))
    {
        temp = (float)(data * 0.02f - 273.15f);
    }
    else
    {
        temp = MLX90614_TEMP_READ_ERR_CODE;
    }
    
    return temp;
}

最后看下hal_entry函数。

/*******************************************************************************************************************//**
 * main() is generated by the RA Configuration editor and is used to generate threads if an RTOS is used.  This function
 * is called by main() when no RTOS is used.
 **********************************************************************************************************************/
void hal_entry(void)
{
    float fTemperature = 0;

    /* TODO: add your own code here */
    SysTick_Init();   //初始化系统时钟

    R_SCI_UART_Open (g_uart9.p_ctrl, g_uart9.p_cfg);

    // init mlx90614
    BSP_MLX90614_Init(&g_i2c_master0_ctrl, &g_i2c_master0_cfg);

    while(1)
    {
        Delay_ms(500);
        R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, GPIO_LED1, BSP_IO_LEVEL_HIGH);

        Delay_ms(500);
        R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, GPIO_LED1, BSP_IO_LEVEL_LOW);

        fTemperature = BSP_MLX90614_ReadTemp(&g_i2c_master0_ctrl);
        if(MLX90614_TEMP_READ_ERR_CODE != fTemperature)
        {
            printf("MLX90614 Measure Temp: %f ℃\r\n",fTemperature);
        }
        else
        {
            printf("MLX90614 Measure Temp Error!\r\n");
        }

    }
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    /* Enter non-secure code */
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}